Elektryczność i magnetyzm


22-12-2022 18:26:36

Opisana w poprzednim odcinku tego cyklu elektryczność z baterii wynalezionych przez Aleksandra Voltę służy nam do dzisiaj. Bez niej niemożliwe byłoby na przykład używanie telefonów komórkowych. Ale elektryczność z baterii pozwala na zaspokajanie potrzeb tylko na małą skalę. Zasilana z baterii latarka oświetli dziurkę od kucza, ale nie całą ulicę. Elektryczność z baterii napędzi hulajnogę, ale nie lokomotywę.

 

Dzisiejsze użytkowanie energii elektrycznej na dużą skalę stało się możliwe dzięki odkryciu sposobu produkowania tej energii za pomocą maszyn elektromagnetycznych. Do tego odkrycia doszło dzięki temu, że w 1774 roku Akademia Bawarii sformułowała pytanie, oferując nagrodę dla badacza, który potrafi na nie odpowiedzieć. Pytanie to brzmiało: Czy istnieje realna i fizyczna analogia między siłami elektrycznymi i magnetycznymi?

Pytanie to sformułowano z naukowej ciekawości i nikomu nie przyszło do głowy, że odpowiedź przyniesie możliwość używania elektryczności jako jednego z najdoskonalszych i najbardziej przydatnych wytworów cywilizacji. Co więcej – dzięki próbom odpowiedzi na to pytanie odkryto fale radiowe.

Do momentu sformułowania przytoczonego wyżej pytania zjawiska elektryczne i magnetyczne badano i rozważano oddzielnie.

Opisane we wcześniejszych artykułach z tej serii zabawy salonowe z ładunkami elektrycznymi zainspirowały przyrodników, by poznali ich naturę. Szczególne zasługi położył w tym zakresie niemiecki inżynier i wynalazca Otto von Guericke, który w 1663 roku zbudował maszynę elektrostatyczną, za pomocą której można było wygodnie wytwarzać ładunki elektryczne i robić z nimi różne doświadczenia. Dzięki temu w 1705 roku fizyk angielski Francis Hauksbe the Elder wykrył, że istnieją dwojakiego rodzaju ładunki elektryczne (ujemne i dodatnie), a także opisał zjawiska związane z ich wzajemnym przyciąganiem się (gdy są różnoimienne) i odpychaniem (gdy są równoimienne). Prawo określające wartości sił przyciągania i odpychania ładunków sformułował w 1785 roku francuski inżynier wojskowy Charles Augustyn Coulomb.

Sporo też wiedziano na temat sił magnetycznych, bo wcześniej badał je William Gilbert. Był to ciekawy człowiek, który zainteresowania przyrodnicze (które przyniosły mu sławę) łączył z zawodem lekarza. W dodatku nie byle jakiego lekarza! Leczył on bowiem królową Elżbietę I, a potem króla Jakuba I Stuarta!

Gilbert postawił sobie bardzo ambitny cel: usiłował wyjaśnić, na jakiej zasadzie działają kompasy. Wiemy, że były one używane przez żeglarzy chińskich przynajmniej od 1088 roku, natomiast w Europie były w użyciu przynamniej od początku XIV wieku. Natomiast nikt nie wiedział, dlaczego kompasy działają.

Gilbert w 1600 roku przeprowadził wszechstronne badania magnetyzmu, wprowadził używane do dziś pojęcia bieguna magnetycznego i siły przyciągania magnetycznego a na koniec napisał książkę, w której tytule (!) zawarł tezę, że cała Ziemia jest jednym wielkim magnesem. Miał rację i wszystkie badania magnetyzmu były potem oparte na jego pracach. Wprowadził pojęcie bieguna magnetycznego, badał siłę różnych magnesów określając ją na podstawie ciężaru kawałka żelaza, które magnes może podnieść, rozróżnił zachowanie twardego żelaza (które po kontakcie z materiałem magnetycznym samo stawało się magnesem) oraz miękkiego żelaza, które pozwalało formować obszar oddziaływań magnesu w chwili, gdy miało z nim kontakt, ale które samo właściwości magnetycznych nie zachowywało.

Zjawiska magnetyczne bardzo różniły się od zjawisk elektrycznych. Po pierwsze siły te oddziaływały tylko na niektóre metale (zwane ferromagnetykami), podczas gdy siły elektryczne były w stanie poruszać bardzo wiele różnych substancji. Po drugie – ładunki elektryczne (dodatnie lub ujemne) można było dowolnie rozmieszczać na odpowiednio izolowanych przedmiotach, podczas gdy ich odpowiedniki w postaci biegunów magnetycznych występują wyłącznie parami. W dowolnym namagnesowanym przedmiocie biegunowi N towarzyszy zawsze biegun S. Nawiasem mówiąc symbole N i S, opisujące bieguny dowolnego magnesu, wprowadził Gilbert nawiązując do biegunów magnetycznych Ziemi.

Przez prawie 50 lat na przytoczone na początku artykułu pytanie Akademii Bawarii udzielano odpowiedzi negatywnej.Człowiekiem, który dokonał przełomowego odkrycia był Hans Christian Oersted. Efekt, który wykrył i opisał w 1820 roku,  był bardzo subtelny. Polegał on na tym, że umieszczona obok przewodu z prądem igiełka magnesu odchylała się. Ale ten właśnie efekt jest podstawą budowy wszystkich silników elektrycznych, dużych i małych. Dzięki temu odkryto, że prąd może pracować!

Spostrzeżenie Oersteda zainteresował fizyka francuskiego Dominika Arago, a potem Andre-Marie Ampera, którzy wnieśli wiele ustaleń szczegółowych dotyczących właściwości pola magnetycznego wywoływanego przez prąd. Wkrótce pojawiło się też pierwsze zastosowanie praktyczne ich eksperymentów. W 1825 roku angielski inżynier William Sturgeon zbudował pierwszy elektromagnes.

Most pomiędzy dziedziną zjawisk elektrycznych i magnetycznych, przerzucony przez Oersteda i Ampera, kusił do sprawdzenia, czy uda się nim przejść także w drugą stronę. Zagadnienie to fascynowało szczególnie angielskiego odkrywcę – samouka, Michała Faradaya. Pracował on nad zagadnieniem wywoływania prądu za pomocą pola magnetycznego od 1825 roku, ale wynik uzyskał dopiero w 1831 roku. Po sześciu latach nieudanych prób!

Niepowodzenia brały się z tego, że usiłował wywołać przepływ prądu stałym polem magnetycznym, co było niemożliwe. Sukces pojawił się wtedy, gdy - być może celowo, a może przez przypadek - zastosował pole magnetyczne zmienne. Jak się okazało właśnie zmiana natężenia pola magnetycznego jest w stanie wywołać prąd w obwodzie elektrycznym, który w takim zmiennym polu się znalazł. Faraday pokazał ten wynik publicznie 29 sierpnia 1831 roku – i chociaż to, co pokazał, było bardzo skromne, to jednak ta właśnie zasada wytwarzania prądu jest dziś wykorzystywana we wszystkich elektrowniach. Dzięki temu prądu można mieć tak dużo, że może on dla nas pracować!

Ryszard Tadeusiewicz

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl